专利名称：一种增加鱼类存活率的混流式水轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种混流式水轮机，具体的说是一种通过改进流道的设计增加鱼类存活率的混流式水轮机。
背景技术：
通过水轮机的鱼易遭受各种形式的胁迫，可能引起高死亡率。这种胁迫包括涡轮机的运动或固定部件(导向叶片、叶片和轮叶)撞击的可能性，突然加速或减速和压力的突然改变。针对鱼类通过水轮机的损伤机理研究，国外(如美国、加拿大、瑞典、荷兰、德国及法国)主要以幼鲑为研究对象，测试幼鲑通过不同水轮机运行工况下存活率。幼鲑在混流式涡轮机的情况下死亡率变动在不到5%到95%以上之间，幼鲑的死亡原因主要是由于混流式涡轮机通常安装在较高的水头下。1995年，美国陆军工程师团成立了一个水轮机流道鱼类存活率研究小组，小组专家们将水轮机对鱼类可能造成的伤害机理分4类包括1.机械机理擦伤、摩擦和撞击，它取决于泄水和流速、水轮机叶片的个数和空间，以及流道的几何形状；2.压力，损伤取决于鱼及鱼类的承受压力大大小和压力的变化率；3.空蚀，福斯特工程的最高鱼类存活率发生在水轮机的运行空蚀常数为临界值得1/2 1/3时；4.剪切力和紊流，剪切应力最大值出现在流体所经过的固体边界附近，如叶片前缘、轮叶和导叶处。一旦确定了伤害机理，就可确定生物学设计标准，并引用于新的和改造的水轮机， 使水轮机对鱼类更有利。目前国内水利工程对于帮助鱼类下行的措施考虑得甚少，甚至没有考虑，导致鱼类特别是一些珍稀鱼种在水轮机流道中受伤，甚至致死的事件时有发生，造成对鱼类资源的损害，三峡水电站的运行就曾发生中华鲟误入水轮机流道致死的事件，这对稀有的中华鲟资源造成较大的损失。对于普通的水轮机，鱼类通过水轮机的死亡率超过 30%，可见水轮机的运行已对流域中鱼类的生存造成了一定的威胁。截至2009年底，我国水电装机容量已达I. 97亿千瓦，目前大中型水电站有263座，位于世界第I位。因此，在加快我国水电建设的同时，对鱼类通过水轮机的损伤概率展开深入研究，探求减少鱼体损伤概率的水轮机流道型式是我国水电能源可持续发展所面临的一个重大课题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提出一种通过改进流道的设计增加鱼类存活率的混流式水轮机，在保证发电效率为90%的前提下，减少叶片个数，增加过流通道，改善流道流动状态，降低空蚀，均化内部压力，提高鱼类通过水轮机的存活率。本发明解决以上技术问题的技术方案是提供一种增加鱼类存活率的混流式水轮机，主要由金属蜗壳、座环、负曲率固定导叶、活动导叶、导叶轴、盖板、轴承座、锥形尾水管和水轮机旋转部件组成；所述金属蜗壳内侧与座环经焊接相连；所述水轮机旋转部件包括 X型水轮机转轮叶片、X型水轮机转轮上冠、X型水轮机转轮下环、主轴及泄水锥；所述X型水轮机转轮叶片通过焊接方法固定在X型水轮机转轮下环与X型水轮机转轮上冠之间，所述转轮上冠与主轴之间通过键传递力矩，所述泄水锥通过螺栓固定于转轮上冠下表面；所CN 102536591 A
述主轴安装在轴承座上，所述盖板采用螺栓固定方式与座环相连；所述活动导叶固定在导叶轴上，所述导叶轴的下端支承在底环上，上端伸出盖板；所述负曲率固定导叶安装于所述活动导叶外侧，并与所述活动导叶布置在同心的圆柱面上，呈并排布置，组成双排环列叶栅；所述X型水轮机转轮叶片的进口边厚度增厚，自进口边到出口边叶片断面呈“鱼形结构”，叶片翼型的最小厚度与最大厚度之比为0. 2 0. 3。本发明进一步限定的技术方案是前述的增加鱼类存活率的混流式水轮机，所述X型水轮机转轮叶片的叶片数为6片，水轮机转轮高度
A为水轮机转轮标称直径砵的0. 76倍，水轮机转轮出口直径巧与水轮机转轮标称直径 A的比值为1.05。前述的增加鱼类存活率的混流式水轮机，所述活动导叶分布圆直径Dc为水轮机转轮标称直径从的I. 22倍。前述的增加鱼类存活率的混流式水轮机，所述负曲率固定导叶的安装个数为8。进一步的，前述的增加鱼类存活率的混流式水轮机，所述X型水轮机转轮上冠进
口角片力53.3°，出口角爲为20. 1° ;所述X型水轮机转轮下环采用具有锥角a的直线型结构，其锥角a为8。。本发明的有益效果是(1)相对于传统混流式水轮机转轮，本发明减少了水轮机转轮叶片，采用加长的叶片，增大水轮机转轮出口直径，使出口过流面积增大，过流能力增大，同时降低了叶片出口处的流速，改善空化性能；适度增加转轮下环的锥角，水轮机最高效率几乎不会发生变化，但转轮的过流能力增加了 2. 5% 3%，出力增加了 2% 2. 5%，空化系数有所下降，在维持相同的容量、发电量的条件下降低了鱼受撞击的擦伤的概率。(2)本发明的X型水轮机转轮叶片在与转轮下环接近的位置保持了传统转轮叶片的形状，而靠近上冠处翼形由传统的正曲面率变成负曲率，叶片面积增大，厚度减薄。X型水轮机转轮叶片的进口边厚度增厚，自进口边到出口边叶片断面呈“鱼形结构”，更有利于改善机组工况运行所引起的来流冲角的影响，防止在部分负荷运行下，X型水轮机转轮叶片头部背面出现较大的冲角而形成非定常运动的叶道涡，提高转轮偏离最优工况运行时的效率，改善来流条件。(3)本发明通过增加活动导叶与转轮之间的距离，降低了在导叶的尾缘和转轮之间鱼遭受摩擦伤害的概率。综上所述，采用以上的技术方案后，本发明能保证水轮机的效率在90% 的同时，提高鱼类通过水轮机的存活率。
图I是本发明的结构示意图。
图2是本发明的X型转轮叶片的示意图。
图3是本发明的X型转轮叶片上冠示意图。
图4是转轮叶片的进水边和出水边在Z-X面的投影线示意图。
图5是转轮叶片在轴面上投影示意图。
图6是负曲率翼型导叶结构示意图。
图中，I-金属蜗壳、2-座环、3-负曲率固定导叶、4-活动导叶、5-导叶轴、6-X型水轮机转轮叶片、7-X型水轮机转轮上冠、8-X型水轮机转轮下环、9-盖板、10-轴承座、11-主轴、12-锥形尾水管、13-泄水锥。
具体实施方式
实施例I本实施例提供的一种降低鱼类受伤害概率的混流式水轮机，如图I至图6所示，包括金属蜗壳I、座环2、负曲率固定导叶3、活动导叶4、导叶轴5、X型水轮机转轮叶片6、X型水轮机转轮上冠7、X型水轮机转轮下环8、盖板9、轴承座10、主轴11、锥形尾水管12、泄水锥 13 ;金属蜗壳I内与座环2通过焊接方法相连接；水轮机旋转部件由X型水轮机转轮叶片6、X型水轮机转轮上冠7、X型水轮机转轮下环8、主轴11及泄水锥13构成；X型水轮机转轮叶片6通过焊接方法固定在X型水轮机转轮下环8与X型水轮机转轮上冠7之间，转轮上冠7与主轴11之间通过键传递力矩，转轮上冠下表面连接泄水锥13 ;主轴11安装在轴承座10上，盖板9与座环2之间采用螺栓固定。活动导叶4固定在导叶轴5上，导叶轴5的下端支承在底环2上，上端伸出盖板9，设置的8个单列环形负曲率固定导叶3采用焊接方法固定在底环2上。
本发明的活动导叶4分布圆直径为水轮机转轮标称直径取的I. 22倍，活动导叶4的高度馬为水轮机转轮标称直径叫的0. 3倍。活动导叶4与负曲率导叶3布置在与水轮机同心的圆柱面上，并排布置，组成双排环列叶栅。
本发明的水轮机转轮高度馬为水轮机转轮标称直径的0. 76倍，水轮机转轮出口直径为爲与水轮机转轮标称直径取的比值为I. 05，叶片数选为6片，进水边厚度大于出水边厚度，其横切断面呈“鱼形结构”，叶片翼型最小厚度与最大厚度之比为0. 25 0. 3。
本发明的X型水轮机转轮叶片6进口具有“负倾角”a，叶片出水边不在轴面上，而是一空间曲线，靠近上冠处翼形为负曲率，X型水轮机转轮上冠进口角对为53. 3°，出口角爲为20. 1° ;所述X型水轮机转轮下环采用具有锥角a的直线型结构，其锥角a为8。。
在本实施例中，对于不同工况条件的传统水轮机损伤实验统计，平均体长50mm的鲫鱼损伤率在5% 10%，体长IOOmm 200mm的草鱼的损伤率降至60% 95%。采用本实验新型，如图I所示的转轮标称直径5. 46m和4. 15m的转轮，叶片数为6片，转轮叶片进口边最大厚度为12cm，叶片翼型最小厚度与最大厚度之比为取0. 27，活动导叶4分布圆直径A)取6. 66m活动导叶4的高度馬取I. 64m,转轮出口直径U2为5. 73m，发电效率为91%，平均体长50mm的觸鱼损伤率在5% 8%,体长10Omm 200mm的草鱼的损伤率降至5% 20%o
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
权利要求
1.一种增加鱼类存活率的混流式水轮机，主要由金属蜗壳、座环、负曲率固定导叶、活动导叶、导叶轴、盖板、轴承座、锥形尾水管和水轮机旋转部件组成；其特征在于所述金属蜗壳内侧与座环经焊接相连；所述水轮机旋转部件包括X型水轮机转轮叶片、X型水轮机转轮上冠、X型水轮机转轮下环、主轴及泄水锥；所述X型水轮机转轮叶片通过焊接方法固定在X型水轮机转轮下环与X型水轮机转轮上冠之间，所述转轮上冠与主轴之间通过键传递力矩，所述泄水锥通过螺栓固定于转轮上冠下表面；所述主轴安装在轴承座上，所述盖板采用螺栓固定方式与座环相连；所述活动导叶固定在导叶轴上，所述导叶轴的下端支承在底环上，上端伸出盖板；所述负曲率固定导叶安装于所述活动导叶外侧，并与所述活动导叶布置在同心的圆柱面上，呈并排布置，组成双排环列叶栅；所述X型水轮机转轮叶片的进口边厚度增厚，自进口边到出口边叶片断面呈“鱼形结构”，叶片翼型的最小厚度与最大厚度之比为0. 2 0. 3。
2.如权利要求I所述的增加鱼类存活率的混流式水轮机，其特征在于所述X型水轮机转轮叶片的叶片数为6片，水轮机转轮高度馬为水轮机转轮标称直径从的0. 76倍，水轮机转轮出口直径巧与水轮机转轮标称直径鴆的比值为1.05。
3.如权利要求I所述的增加鱼类存活率的混流式水轮机，其特征在于所述活动导叶分布圆直径1 为水轮机转轮标称直径取的I. 22倍。
4.如权利要求3所述的增加鱼类存活率的混流式水轮机，其特征在于所述负曲率固定导叶的安装个数为8。
5.如权利要求I所述的增加鱼类存活率的混流式水轮机，其特征在于所述X型水轮机转轮上冠进口角爲为53.3°，出口角爲为20. 1° ;所述X型水轮机转轮下环采用具有锥角a的直线型结构，其锥角a为8。。
全文摘要
本发明涉及一种提高水轮机过鱼能力的新型混流式水轮机，采用较少的叶片个数，增加叶片长度加大流道尺寸，以维持相同的容量及发电量；靠近上冠处翼形为负曲率，转轮叶片进口较厚，横切断面呈“鱼形结构”，叶片翼型的最小厚度与最大厚度之比为0.2～0.3，以减小高水头下进口边产生空蚀、水流分离现象，改善鱼类通过的安全条件；增加活动导叶与转轮叶片之间的距离，以降低在导叶尾缘和转轮之间鱼遭受摩擦伤害的概率。本发明可以在减少叶片个数的情况下维持相同的容量，改善流道流动状态将空蚀降至最小，保证发电效率为90%的前提下，提高鱼类通过水轮机的存活率。
文档编号F03B3/12GK102536591SQ20121002621
公开日2012年7月4日 申请日期2012年2月7日 优先权日2012年2月7日
发明者吴建华, 戴会超, 王煜, 郭卓敏 申请人:戴会超